粒子图像测速

1发展背景

湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题。早期发明的热线热膜流速计（HWFA）至今已有80 多年的历史，曾经为流动测量特别是湍流的研究立下过汗马功劳。这项技术的大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰。20世纪60年代发展起来的激光多普勒测速仪（简称LDV），利用流场中粒子的Mie散射，测量散射光对原入射光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无接触测量。这种技术具有*的时间分辨率和空间分辨力，可做三维测速，已经成为流速测量的标准技术并得到了广泛应用。然而，它和热线流速仪一样，都只是单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。20世纪80年代发展起来的粒子图像测速技术则是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术，光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的流动测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。

2定义

粒子图像测速技术是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点而成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。

粒子图像测速，是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。

基本原理

在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理PIV底片或CC 记录的图像，获得流场速度分布。因采用的记录设备不同，又分别称FPIV（用胶片作记录）和数字式图像测速DPW（用CCD相机作记录）。

优点

粒子图像测速技术的突出优点表现在：（1）是一种非接触式流动测量方法，突破了空间单点测量（如LDV）的局限性，实现了全流场瞬态测量；（2）实现了无扰测量，而用毕托管或HWFV等仪器测量时对流场都有一定的干扰；（3）容易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此，该技术在流体测量中占有重要的地位。

3应用

粒子图像测速技术作为研究各种复杂流场的一种基本手段，已广泛应用于各种流动中，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动，非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构，也可应用于粒子测速和图像测速等前沿科学等方面。